(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
需要電力に応じた可変の発電電力を生成する固体酸化物型燃料電池であって、
供給された燃料により発電する燃料電池モジュールと、
この燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給手段と、
上記燃料電池モジュールに発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給手段と、
上記燃料供給手段により供給され、発電に利用されずに残った残余燃料を燃焼させ、上記燃料電池モジュール内を加熱する燃焼部と、
上記燃料電池モジュールで発生した熱を蓄積する蓄熱材と、
需要電力を検出する需要電力検出手段と、
上記燃料電池モジュールの温度を検出する温度検出手段と、
この温度検出手段により検出された検出温度に基づいて上記蓄熱材に蓄積された蓄熱量を推定する蓄熱量推定手段と、
上記需要電力検出手段により検出された需要電力及び上記蓄熱量推定手段により推定された蓄熱量に基づいて、推定された蓄熱量が大きい場合には、同一の発電電力に対して燃料利用率が高くなるように、上記燃料供給手段及び上記発電用酸化剤ガス供給手段を制御する残存熱量利用制御を実行する制御手段と、
上記燃焼部を通って排出される排気ガスの状態を検出又は推定する排気ガス状態判定手段と、を有し、
上記制御手段は、上記排気ガス状態判定手段の判定結果に基づいて、排気ガスが適正状態になるように、上記残存熱量利用制御により設定された燃料供給量及び／又は発電用酸化剤ガス供給量を補正する排気ガス適正化手段を有することを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
【請求項２】
上記排気ガス状態判定手段は、上記燃焼部における発電用酸化剤ガス量と残余燃料量の比である残余空燃比を推定することにより排気ガスの状態を推定し、上記排気ガス適正化手段は、推定された残余空燃比を、所定範囲に維持するように燃料供給量及び／又は発電用酸化剤ガス供給量を補正する請求項１記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項３】
上記排気ガス状態判定手段は、発電電力、燃料供給量、及び発電用酸化剤ガス供給量に基づいて、残余空燃比を推定する請求項２記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項４】
上記排気ガス適正化手段は、所定の条件に基づいて、燃料供給量又は発電用酸化剤ガス供給量の補正を変更する請求項１記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項５】
上記排気ガス適正化手段は、燃料供給量よりも発電用酸化剤ガス供給量を大幅に補正することにより、残余空燃比を、所定範囲に維持する請求項２記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項６】
上記排気ガス適正化手段は、発電用酸化剤ガス供給量の補正により残余空燃比を所定範囲に維持できる場合には、発電用酸化剤ガス供給量のみ補正し、発電用酸化剤ガス供給量の補正のみでは残余空燃比を所定範囲に維持できない場合に、燃料供給量及び発電用酸化剤ガス供給量の両方を補正する請求項５記載の固体酸化物型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池に関し、特に、需要電力に応じた可変の発電電力を生成する固体酸化物型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤（空気、酸素等）を供給して、比較的高温で動作する燃料電池である。
【０００３】
このＳＯＦＣにおいては、酸化物イオン導電性固体電解質を通過した酸素イオンと燃料との反応によって水蒸気又は二酸化炭素を生成し、電気エネルギー及び熱エネルギーが発生する。電気エネルギーは、ＳＯＦＣ外部に取り出されて、各種電気的用途に使用される。一方、熱エネルギーは、燃料、改質器、水及び酸化剤等の温度を上昇させるために使用される。
【０００４】
特開２０１０−９２８３６号公報（特許文献１）には、燃料電池装置が記載されている。この燃料電池装置は、需要電力に応じて発電電力を変化させるタイプの固体酸化物型燃料電池であり、発電電力が少ない低負荷領域においては、発電電力の大きい高負荷領域よりも、燃料利用率を低下させた運転を行うことが開示されている。これは、低負荷運転時においては、発電反応による発電熱のみでは燃料電池モジュール内の温度を発電可能な温度に維持できないため、発電に利用されずに残った燃料を燃焼させて、発電可能な温度を維持しているものである。即ち特許文献１では、発電電力が少ない状態においては、供給される燃料のうちの発電に使用される割合が低下されるが、その一方で、発電に使用されずに燃料電池モジュールの加熱に使用される燃料はあまり低下させずに燃料電池モジュールの加熱に多くの割合の燃料が使用されるように構成することで、燃料電池モジュールを熱的に自立させ、発電可能な温度に維持しているものである。
【０００５】
具体的には、発電電力の少ない領域においては、発電に伴い燃料電池セルユニットに発生する発電熱が減少するので、燃料電池モジュール内の温度が低下しやすい傾向にあるため、発電電力の少ない領域においても一定の燃料利用率を維持していると燃料電池モジュール内の温度低下を引き起こし、発電可能な温度を維持することが困難になるため燃料利用率を犠牲にしてでも燃料電池モジュールの加熱用の燃料を多くして熱的自立を可能にしているものである。
【０００６】
しかしながら、燃料利用率を低下させることは、熱自立は図れても発電に寄与しない燃料を増加させることであるため、燃料利用率を低下させた運転を行うと、固体酸化物型燃料電池の総合的なエネルギー効率の低下を招くという問題がある。ここで、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は発電時の温度が高いため、高分子膜形の燃料電池（ＰＥＦＣ）のように１日に１回以上停止させる運転には不向きであり、通常、２４時間連続で運転される。このため、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）では、燃料利用率を低下させた状態の運転が長くなるほど総合的なエネルギー効率は低下するので、一般に高分子膜形の燃料電池（ＰＥＦＣ）よりもエネルギー効率が高いとされている固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の優位性が損なわれることにも繋がる。
【０００７】
特に、固体酸化物型燃料電池を家庭用に使用することを想定すると、家人が就寝中の深夜等、１日のうちの所定の時間は必ず燃料電池は発電電力が少ない状態で使用されることが必ず発生することになり、これが固体酸化物型燃料電池の総合的なエネルギー効率を著しく低下させることになるため、このような発電電力の少ない状態にあっても燃料利用率の高い高効率な運転を実現できる優れた技術が固体酸化物型燃料電池においては望まれていたものである。
【０００８】
一方、燃料電池セル等を収納する筐体の断熱性を高めていくと、燃料電池セルに供給され、発電に利用されずに残った残余の燃料で上昇された筐体内の温度を維持する保温性能が高まるため、投入熱量を減じることができ、燃料効率を高めることができる。しかし、残余燃料が余剰となる状況においては、筐体内の温度が上昇しすぎるという別の問題が発生する。筐体内の温度が過剰に上昇すると、筐体内の燃料電池セルや、改質器等が損傷される場合がある。また、過剰に上昇した温度は、筐体の断熱性が高く、極めて熱容量が大きいため、適正温度まで低下させることが容易ではなく、更なる過昇温を招くと言う課題が生じる。
【０００９】
ここで、特開２０１０−２０５６７０号公報（特許文献２）には、燃料電池システムに蓄積された余熱を利用して燃料利用率を高くする技術が記載されている。燃料電池システムでは発電電力の多い高負荷帯域では高温になり、発電電力が小さくなると若干温度を下げて運転させることが可能である。このため、高負荷から低負荷になった後、しばらくの間は高負荷領域における温度となっており、モジュール内は蓄積された余熱により低負荷領域における運転温度よりも高い温度に維持される。特許文献２記載の発明では、この余熱を利用して燃料利用率を高くし、熱自立するために必要な熱量を余熱を消費することにより補っている。言い換えると熱自立が可能な燃料供給量よりも少ない燃料まで燃料利用率を高めた運転を可能とした優れた技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１０−９２８３６号公報
【特許文献２】特開２０１０−２０５６７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献２記載の発明においては、蓄積されている余熱の推定を電気負荷の積分値から求めているため、残余燃料が余剰となることに起因して発生する過昇温という上記の特有の課題に対してはこれを上手く機能させることができなかった。具体的には、特許文献２記載の発明では、発電電力から間接的に燃料供給量を把握し、これに基づいて余熱を推定することになるため、発電に利用されずに残った残余燃料を把握することができず、これに起因する過昇温を防止することはできない。従って、上記の特有の課題を解決するために特許文献２記載の発明を適用することはできない。
【００１２】
さらに、特許文献２記載の発明のように、燃料電池システムに蓄積された余熱を利用した制御を行うと、燃料利用率を非常に高く設定することが可能になる一方、発電用の空気に対して供給される燃料の量が極めて少なくなり、残余燃料が適正に燃焼されにくくなるという新たな課題が生じた。発電に利用されずに残った残余燃料が、発電用空気により十分に燃焼されていない場合には、燃料電池システムの排気中に含まれる一酸化炭素等の有害なガスの量が増加するという問題がある。燃料電池システムの排気中に含まれる一酸化炭素は、絶対量としては微量であるが、これを減じることが好ましい。
【００１３】
また、燃料電池システム内における燃焼は、発電に利用されずに残った残余燃料が、発電に利用されずに残った発電用空気（酸素）により燃焼されるものであるため、燃焼に使用される燃料及び空気の量を把握することが困難である。さらに、供給された燃料は改質器、燃料電池セルを経て燃焼部に到達し、発電用の空気は燃料電池セルを経て燃焼部に到達するものであり、供給された後、燃焼部に到達するまで夫々にタイムラグがある。このため、燃焼部における燃焼を制御することには困難が伴う。加えて、特許文献２記載の発明においては、余熱の推定値を電気負荷の積分値から求めているため、残余燃料に起因して発生する有害なガスの問題を解決することができない。
【００１４】
従って、本発明は、蓄積された余熱を利用することによりエネルギー効率を向上させながら、排気中に含まれる有害なガスを減じることができる固体酸化物型燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述した課題を解決するために、本発明は、需要電力に応じた可変の発電電力を生成する固体酸化物型燃料電池であって、供給された燃料により発電する燃料電池モジュールと、この燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給手段と、燃料電池モジュールに発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給手段と、燃料供給手段により供給され、発電に利用されずに残った残余燃料を燃焼させ、燃料電池モジュール内を加熱する燃焼部と、燃料電池モジュールで発生した熱を蓄積する蓄熱材と、需要電力を検出する需要電力検出手段と、燃料電池モジュールの温度を検出する温度検出手段と、この温度検出手段により検出された検出温度に基づいて蓄熱材に蓄積された蓄熱量を推定する蓄熱量推定手段と、需要電力検出手段により検出された需要電力及び蓄熱量推定手段により推定された蓄熱量に基づいて、推定された蓄熱量が大きい場合には、同一の発電電力に対して燃料利用率が高くなるように、燃料供給手段及び発電用酸化剤ガス供給手段を制御する残存熱量利用制御を実行する制御手段と、燃焼部を通って排出される排気ガスの状態を検出又は推定する排気ガス状態判定手段と、を有し、制御手段は、排気ガス状態判定手段の判定結果に基づいて、排気ガスが適正状態になるように、残存熱量利用制御により設定された燃料供給量及び／又は発電用酸化剤ガス供給量を補正する排気ガス適正化手段を有することを特徴としている。
【００１６】
このように構成された本発明においては、燃料供給手段及び発電用酸化剤ガス供給手段は、燃料電池モジュールに燃料及び発電用酸化剤ガスを夫々供給する。燃料電池モジュールは供給された燃料及び発電用酸化剤ガスにより発電すると共に、発電に利用されずに残った残余燃料は燃焼部で燃焼され、発生した熱は蓄熱材に蓄積される。制御手段は、需要電力検出手段により検出された需要電力及び蓄熱量推定手段により推定された蓄熱量に基づいて、推定された蓄熱量が大きい場合には、同一の発電電力に対して燃料利用率が高くなるように、燃料供給手段及び発電用酸化剤ガス供給手段を制御する残存熱量利用制御を実行する。排気ガス状態判定手段は、燃焼部を通って排出される排気ガスの状態を検出又は推定する。制御手段に備えられた排気ガス適正化手段は、排気ガス状態判定手段の判定結果に基づいて、排気ガスが適正状態になるように、残存熱量利用制御により設定された燃料供給量及び／又は発電用酸化剤ガス供給量を補正する。
【００１７】
このように構成された本発明によれば、推定された蓄熱量が大きい場合には、同一の発電電力に対して燃料利用率が高くされるので、蓄積された熱量を利用して、固体酸化物型燃料電池のエネルギー効率を向上させることができる。また、このように構成された本発明によれば、蓄熱量が大きい場合には蓄熱が利用されるので、エネルギー効率を低下させることなく、燃料電池モジュール内の温度を適正温度範囲に維持することができる。しかしながら、エネルギー効率や、作動温度を優先して燃料供給量及び発電用酸化剤ガス供給量を決定していると、排気ガス中の一酸化炭素濃度が上昇する等、排気ガスが不適切な状態になる場合があるという技術課題が生じる。本発明の固体酸化物型燃料電池によれば、排気ガス適正化手段が、排気ガスが適正状態になるように燃料供給量及び／又は発電用酸化剤ガス供給量を補正するので、エネルギー効率の向上と、排気ガスの適正化を両立させることができる。
【００１８】
本発明において、好ましくは、排気ガス状態判定手段は、燃焼部における発電用酸化剤ガス量と残余燃料量の比である残余空燃比を推定することにより排気ガスの状態を推定し、排気ガス適正化手段は、推定された残余空燃比を、所定範囲に維持するように燃料供給量及び／又は発電用酸化剤ガス供給量を補正する。
【００１９】
このように構成された本発明によれば、残余空燃比を推定することにより排気ガスの状態が推定され、排気ガスの状態が判定されるので、特別なセンサーを用いることなく排気ガスを適正な状態にすることができる。
【００２０】
本発明において、好ましくは、排気ガス状態判定手段は、発電電力、燃料供給量、及び発電用酸化剤ガス供給量に基づいて、残余空燃比を推定する。
一般に、排気ガスの状態は、供給された酸化剤ガスと燃料の比ではなく、燃焼部における酸化剤ガスと燃料の比に依存する。この比には、発電により消費された燃料及び酸化剤ガスの量が強い影響を与える。上記のように構成された本発明によれば、酸化剤ガス供給量、燃料供給量に加え、発電電力を加味して残余空燃比を推定しているので、より正確に排気ガスの状態を判定することができる。
【００２１】
本発明において、好ましくは、排気ガス適正化手段は、所定の条件に基づいて、燃料供給量又は発電用酸化剤ガス供給量の補正を変更する。
このように構成された本発明によれば、所定の条件に基づいて補正が変更されるので、排気ガスの状態を適正に保つと同時に、エネルギー効率を向上させ、或いは、安定して固体酸化物型燃料電池を運転することができる。
【００２２】
本発明において、好ましくは、排気ガス適正化手段は、燃料供給量よりも発電用酸化剤ガス供給量を大幅に補正することにより、残余空燃比を、所定範囲に維持する。
このように構成された本発明によれば、発電用酸化剤ガス供給量を大幅に補正することにより排気ガスが適正化されるので、排気ガスの適正化のために浪費される燃料を抑制することができ、エネルギー効率の向上と、排気ガスの適正化を両立することができる。
【００２３】
本発明において、好ましくは、排気ガス適正化手段は、発電用酸化剤ガス供給量の補正により残余空燃比を所定範囲に維持できる場合には、発電用酸化剤ガス供給量のみ補正し、発電用酸化剤ガス供給量の補正のみでは残余空燃比を所定範囲に維持できない場合に、燃料供給量及び発電用酸化剤ガス供給量の両方を補正する。
【００２４】
このように構成された本発明によれば、発電用酸化剤ガス供給量の補正のみで排気ガスを適正化できる場合には、発電用酸化剤ガス供給量のみ補正されるので、エネルギー効率を向上させることができる。また、発電用酸化剤ガス供給量の補正だけでは排気ガスを適正化できない場合には、燃料供給量も補正されるので、より広範な状況において排気ガスを適正化することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の固体酸化物型燃料電池によれば、蓄積された余熱を利用することによりエネルギー効率を向上させながら、排気中に含まれる有害なガスを減じることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池装置を示す全体構成図である。
【図２】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。
【図３】図２のIII-III線に沿った断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態による燃料電池装置を示すブロック図である。
【図７】本発明の一実施形態による燃料電池装置の起動時の動作を示すタイムチャートである。
【図８】本発明の一実施形態による燃料電池装置の停止時の動作を示すタイムチャートである。
【図９】本発明の第１実施形態の固体酸化物型燃料電池における出力電流と燃料供給量の関係を示すグラフである。
【図１０】本発明の第１実施形態の固体酸化物型燃料電池における出力電流と、供給された燃料により発生する熱量の関係を示すグラフである。
【図１１】需要電力の変化と、燃料供給量、及び燃料電池モジュールから実際に取り出される電流の関係を模式的に示したグラフである。
【図１２】発電用空気供給量、水供給量、燃料供給量、及び燃料電池モジュールから実際に取り出される電流の関係の一例を示したグラフである。
【図１３】検出温度Ｔｄに基づいて発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量を決定する手順を示すフローチャートである。
【図１４】発電電流に対する適正な燃料電池セルスタックの温度を示すグラフである。
【図１５】積算値に応じて決定される燃料利用率を示すグラフである。
【図１６】各発電電流に対して決定され得る燃料利用率の値の範囲を示すグラフである。
【図１７】積算値に応じて決定される空気利用率を示すグラフである。
【図１８】各発電電流に対して決定され得る空気利用率の値の範囲を示すグラフである。
【図１９】決定された空気利用率に対して水供給量を決定するためのグラフである。
【図２０】発電電流に対する適正な燃料電池モジュールの発電電圧を示すグラフである。
【図２１】図１３のフローチャートから呼び出される、排気ガス適正化制御を行うためのサブルーチンのフローチャートである。
【図２２】排気ガスを適正化するための発電用空気供給量の補正値を表すグラフである。
【図２３】発電用空気供給量の補正を実行する空燃比の閾値と、発電電力の関係を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。この図１に示すように、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。
【００２８】
燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備え、このハウジング６内部には、断熱材７を介して密封空間８が形成されている。この密閉空間８の下方部分である発電室１０には、燃料ガスと酸化剤（空気）とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体１２が配置されている。この燃料電池セル集合体１２は、１０個の燃料電池セルスタック１４（図５参照）を備え、この燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６（図４参照）から構成されている。このように、燃料電池セル集合体１２は、１６０本の燃料電池セルユニット１６を有し、これらの燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されている。
【００２９】
燃料電池モジュール２の密封空間８の上述した発電室１０の上方には、燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤（空気）とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。
また、この燃焼室１８の上方には、燃料ガスを改質する改質器２０が配置され、前記残余ガスの燃焼熱によって改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器２０の上方には、改質器２０の熱を受けて空気を加熱し、改質器２０の温度低下を抑制するための空気用熱交換器２２が配置されている。
【００３０】
次に、補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）を備えている。さらに、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される酸化剤である空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）と、改質器２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
【００３１】
次に、燃料電池モジュール２には、排気ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
また、燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。
【００３２】
次に、図２及び図３により、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールの内部構造を説明する。図２は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図３は、図２のIII-III線に沿って断面図である。
図２及び図３に示すように、燃料電池モジュール２のハウジング６内の密閉空間８には、上述したように、下方から順に、燃料電池セル集合体１２、改質器２０、空気用熱交換器２２が配置されている。
【００３３】
改質器２０は、その上流端側に純水を導入するための純水導入管６０と改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管６２が取り付けられ、また、改質器２０の内部には、上流側から順に、蒸発部２０ａと改質部２０ｂを形成され、これらの蒸発部２０ａと改質部２０ｂには改質触媒が充填されている。この改質器２０に導入された水蒸気（純水）が混合された燃料ガス及び空気は、改質器２０内に充填された改質触媒により改質される。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。
【００３４】
この改質器２０の下流端側には、燃料ガス供給管６４が接続され、この燃料ガス供給管６４は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体１２の下方に形成されたマニホールド６６内で水平に延びている。燃料ガス供給管６４の水平部６４ａの下方面には、複数の燃料供給孔６４ｂが形成されており、この燃料供給孔６４ｂから、改質された燃料ガスがマニホールド６６内に供給される。
【００３５】
このマニホールド６６の上方には、上述した燃料電池セルスタック１４を支持するための貫通孔を備えた下支持板６８が取り付けられており、マニホールド６６内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット１６内に供給される。
【００３６】
次に、改質器２０の上方には、空気用熱交換器２２が設けられている。この空気用熱交換器２２は、上流側に空気集約室７０、下流側に２つの空気分配室７２を備え、これらの空気集約室７０と空気分配室７２は、６個の空気流路管７４により接続されている。ここで、図３に示すように、３個の空気流路管７４が一組（７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄ，７４ｅ，７４ｆ）となっており、空気集約室７０内の空気が各組の空気流路管７４からそれぞれの空気分配室７２へ流入する。
【００３７】
空気用熱交換器２２の６個の空気流路管７４内を流れる空気は、燃焼室１８で燃焼して上昇する排気ガスにより予熱される。
空気分配室７２のそれぞれには、空気導入管７６が接続され、この空気導入管７６は、下方に延び、その下端側が、発電室１０の下方空間に連通し、発電室１０に余熱された空気を導入する。
【００３８】
次に、マニホールド６６の下方には、排気ガス室７８が形成されている。また、図３に示すように、ハウジング６の長手方向に沿った面である前面６ａと後面６ｂの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路８０が形成され、この排気ガス室通路８０の上端側は、空気用熱交換器２２が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室７８と連通している。また、排気ガス室７８の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管８２が接続され、この排気ガス排出管８２の下流端は、図１に示す上述した温水製造装置５０に接続されている。
図２に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置８３が、燃焼室１８に設けられている。
【００３９】
次に図４により燃料電池セルユニット１６について説明する。図４は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図４に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子８６とを備えている。
燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。
【００４０】
燃料電池セル１６の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子８６は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６について具体的に説明する。内側電極層９０の上部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備えている。内側電極端子８６は、導電性のシール材９６を介して内側電極層９０の外周面９０ｂと接続され、さらに、内側電極層９０の上端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている。内側電極端子８６の中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路９８が形成されている。
【００４１】
内側電極層９０は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。
【００４２】
電解質層９４は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
【００４３】
外側電極層９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
【００４４】
次に図５により燃料電池セルスタック１４について説明する。図５は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
図５に示すように、燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１６の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の下支持板６８及び上支持板１００により支持されている。これらの下支持板６８及び上支持板１００には、内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴６８ａ及び１００ａがそれぞれ形成されている。
【００４５】
さらに、燃料電池セルユニット１６には、集電体１０２及び外部端子１０４が取り付けられている。この集電体１０２は、燃料極である内側電極層９０に取り付けられた内側電極端子８６と電気的に接続される燃料極用接続部１０２ａと、空気極である外側電極層９２の外周面全体と電気的に接続される空気極用接続部１０２ｂとにより一体的に形成されている。空気極用接続部１０２ｂは、外側電極層９２の表面を上下方向に延びる鉛直部１０２ｃと、この鉛直部１０２ｃから外側電極層９２の表面に沿って水平方向に延びる多数の水平部１０２ｄとから形成されている。また、燃料極用接続部１０２ａは、空気極用接続部１０２ｂの鉛直部１０２ｃから燃料電池セルユニット１６の上下方向に位置する内側電極端子８６に向って斜め上方又は斜め下方に向って直線的に延びている。
【００４６】
さらに、燃料電池セルスタック１４の端（図５では左端の奥側及び手前側）に位置する２個の燃料電池セルユニット１６の上側端及び下側端の内側電極端子８６には、それぞれ外部端子１０４が接続されている。これらの外部端子１０４は、隣接する燃料電池セルスタック１４の端にある燃料電池セルユニット１６の外部端子１０４（図示せず）に接続され、上述したように、１６０本の燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されるようになっている。
【００４７】
次に図６により本実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）に取り付けられたセンサ類等について説明する。図６は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示すブロック図である。
図６に示すように、固体酸化物型燃料電池１は、制御部１１０を備え、この制御部１１０には、使用者が操作するための「ＯＮ」や「ＯＦＦ」等の操作ボタンを備えた操作装置１１２、発電出力値（ワット数）等の種々のデータを表示するための表示装置１１４、及び、異常状態のとき等に警報（ワーニング）を発する報知装置１１６が接続されている。なお、この報知装置１１６は、遠隔地にある管理センタに接続され、この管理センタに異常状態を通知するようなものであっても良い。
【００４８】
次に、制御部１１０には、以下に説明する種々のセンサからの信号が入力されるようになっている。
先ず、可燃ガス検出センサ１２０は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュール２及び補機ユニット４に取り付けられている。
ＣＯ検出センサ１２２は、本来排気ガス通路８０等を経て外部に排出される排気ガス中のＣＯが、燃料電池モジュール２及び補機ユニット４を覆う外部ハウジング（図示せず）へ漏れたかどうかを検知するためのものである。
貯湯状態検出センサ１２４は、図示しない給湯器におけるお湯の温度や水量を検知するためのものである。
【００４９】
電力状態検出センサ１２６は、インバータ５４及び分電盤（図示せず）の電流及び電圧等を検知するためのものである。
発電用空気流量検出センサ１２８は、発電室１０に供給される発電用空気の流量を検出するためのものである。
改質用空気流量センサ１３０は、改質器２０に供給される改質用空気の流量を検出するためのものである。
燃料流量センサ１３２は、改質器２０に供給される燃料ガスの流量を検出するためのものである。
【００５０】
水流量センサ１３４は、改質器２０に供給される純水の流量を検出するためのものである。
水位センサ１３６は、純水タンク２６の水位を検出するためのものである。
圧力センサ１３８は、改質器２０の外部の上流側の圧力を検出するためのものである。
排気温度センサ１４０は、温水製造装置５０に流入する排気ガスの温度を検出するためのものである。
【００５１】
発電室温度センサ１４２は、図３に示すように、燃料電池セル集合体１２の近傍の前面側と背面側に設けられ、燃料電池セルスタック１４の近傍の温度を検出して、燃料電池セルスタック１４（即ち燃料電池セル８４自体）の温度を推定するためのものである。
燃焼室温度センサ１４４は、燃焼室１８の温度を検出するためのものである。
排気ガス室温度センサ１４６は、排気ガス室７８の排気ガスの温度を検出するためのものである。
改質器温度センサ１４８は、改質器２０の温度を検出するためのものであり、改質器２０の入口温度と出口温度から改質器２０の温度を算出する。
外気温度センサ１５０は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）が屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサを設けるようにしても良い。
【００５２】
これらのセンサ類からの信号は、制御部１１０に送られ、制御部１１０は、これらの信号によるデータに基づき、水流量調整ユニット２８、燃料流量調整ユニット３８、改質用空気流量調整ユニット４４、発電用空気流量調整ユニット４５に、制御信号を送り、これらのユニットにおける各流量を制御するようになっている。
【００５３】
次に図７により本実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）による起動時の動作を説明する。図７は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を示すタイムチャートである。
最初は、燃料電池モジュール２を温めるために、無負荷状態で、即ち、燃料電池モジュール２を含む回路を開いた状態で、運転を開始する。このとき、回路に電流が流れないので、燃料電池モジュール２は発電を行わない。
【００５４】
先ず、改質用空気流量調整ユニット４４から改質用空気を第１ヒータ４６を経由して燃料電池モジュール２の改質器２０へ供給する。また、同時に、発電用空気流量調整ユニット４５から発電用空気を第２ヒータ４８を経由して燃料電池モジュール２の空気用熱交換器２２へ供給し、この発電用空気が、発電室１０及び燃焼室１８に到達する。
この直ぐ後、燃料流量調整ユニット３８からも燃料ガスが供給され、改質用空気が混合された燃料ガスが、改質器２０及び燃料電池セルスタック１４、燃料電池セルユニット１６を通過して、燃焼室１８に到達する。
【００５５】
次に、点火装置８３により着火して、燃焼室１８にある燃料ガスと空気（改質用空気及び発電用空気）とを燃焼させる。この燃料ガスと空気との燃焼により排気ガスが生じ、この排気ガスにより、発電室１０が暖められ、また、排気ガスが燃料電池モジュール２の密封空間８内を上昇する際、改質器２０内の改質用空気を含む燃料ガスを暖めると共に、空気熱交換器２２内の発電用空気も暖める。
【００５６】
このとき、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４により、改質用空気が混合された燃料ガスが改質器２０に供給されているので、改質器２０において、式（１）に示す部分酸化改質反応ＰＯＸが進行する。この部分酸化改質反応ＰＯＸは、発熱反応であるので、起動性が良好となる。また、この昇温した燃料ガスが燃料ガス供給管６４により燃料電池セルスタック１４の下方に供給され、これにより、燃料電池セルスタック１４が下方から加熱され、また、燃焼室１８も燃料ガスと空気が燃焼して昇温されているので、燃料電池セルスタック１４は、上方からも加熱され、この結果、燃料電池セルスタック１４は、上下方向において、ほぼ均等に昇温可能となっている。この部分酸化改質反応ＰＯＸが進行しても、燃焼室１８では継続して燃料ガスと空気との燃焼反応が持続される。
【００５７】
ＣmＨn＋ｘＯ2  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2                （１）
【００５８】
部分酸化改質反応ＰＯＸの開始後、改質器温度センサ１４８により改質器２０が所定温度（例えば、６００℃）になったことを検知したとき、水流量調整ユニット２８、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４により、燃料ガスと改質用空気と水蒸気とを予め混合したガスを改質器２０に供給する。このとき、改質器２０においては、上述した部分酸化改質反応ＰＯＸと後述する水蒸気改質反応ＳＲとが併用されたオートサーマル改質反応ＡＴＲが進行する。このオートサーマル改質反応ＡＴＲは、熱的に内部バランスが取れるので、改質器２０内では熱的に自立した状態で反応が進行する。即ち、酸素（空気）が多い場合には部分酸化改質反応ＰＯＸによる発熱が支配的となり、水蒸気が多い場合には水蒸気改質反応ＳＲによる吸熱反応が支配的となる。この段階では、既に起動の初期段階は過ぎており、発電室１０内がある程度の温度まで昇温されているので、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を引き起こすことはない。また、オートサーマル改質反応ＡＴＲが進行中も、燃焼室１８では燃焼反応が継続して行われている。
【００５９】
式（２）に示すオートサーマル改質反応ＡＴＲの開始後、改質器温度センサ１４６により改質器２０が所定温度（例えば、７００℃）になったことを検知したとき、改質用空気流量調整ユニット４４による改質用空気の供給を停止すると共に、水流量調整ユニット２８による水蒸気の供給を増加させる。これにより、改質器２０には、空気を含まず燃料ガスと水蒸気のみを含むガスが供給され、改質器２０において、式（３）の水蒸気改質反応ＳＲが進行する。
【００６０】
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2       （２）
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2              （３）
【００６１】
この水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるので、燃焼室１８からの燃焼熱と熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、燃料電池モジュール２の起動の最終段階であるため、発電室１０内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応が進行しても、発電室１０が大幅な温度低下を招くこともない。また、水蒸気改質反応ＳＲが進行しても、燃焼室１８では継続して燃焼反応が進行する。
【００６２】
このようにして、燃料電池モジュール２は、点火装置８３により点火した後、部分酸化改質反応ＰＯＸ、オートサーマル改質反応ＡＴＲ、水蒸気改質反応ＳＲが、順次進行することにより、発電室１０内の温度が徐々に上昇する。次に、発電室１０内及び燃料電池セル８４の温度が燃料電池モジュール２を安定的に作動させる定格温度よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュール２を含む回路を閉じ、燃料電池モジュール２による発電を開始し、それにより、回路に電流が流れる。燃料電池モジュール２の発電により、燃料電池セル８４自体も発熱し、燃料電池セル８４の温度も上昇する。この結果、燃料電池モジュール２を作動させる定格温度、例えば、６００℃〜８００℃になる。
【００６３】
この後、定格温度を維持するために、燃料電池セル８４で消費される燃料ガス及び空気の量よりも多い燃料ガス及び空気を供給し、燃焼室１８での燃焼を継続させる。なお、発電中は、改質効率の高い水蒸気改質反応ＳＲで発電が進行する。
【００６４】
次に、図８により本実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時の動作を説明する。図８は、本実施形態により固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時の動作を示すタイムチャートである。
図８に示すように、燃料電池モジュール２の運転停止を行う場合には、先ず、燃料流量調整ユニット３８及び水流量調整ユニット２８を操作して、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給量を減少させる。
【００６５】
また、燃料電池モジュール２の運転停止を行う場合には、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給量を減少させると同時に、改質用空気流量調整ユニット４４による発電用空気の燃料電池モジュール２内への供給量を増大させて、燃料電池セル集合体１２及び改質器２０を空気により冷却し、これらの温度を低下させる。その後、改質器２０の温度が所定温度、例えば、４００℃まで低下したとき、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給を停止し、改質器２０の水蒸気改質反応ＳＲを終了する。この発電用空気の供給は、改質器２０の温度が所定温度、例えば、２００℃まで低下するまで、継続し、この所定温度となったとき、発電用空気流量調整ユニット４５からの発電用空気の供給を停止する。
【００６６】
このように、本実施形態においては、燃料電池モジュール２の運転停止を行うとき、改質器２０による水蒸気改質反応ＳＲと発電用空気による冷却とを併用しているので、比較的短時間に、燃料電池モジュールの運転を停止させることができる。
【００６７】
次に、図９乃至図２３を参照して、本発明の第１実施形態による固体酸化物型燃料電池１の制御を説明する。
図９は、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１における出力電流と燃料供給量の関係を示すグラフである。図１０は、固体酸化物型燃料電池１における出力電流と、供給された燃料により発生する熱量の関係を示すグラフである。
【００６８】
まず、図９の実線に示すように、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１は、需要電力に応じて、出力を定格出力電力である７００Ｗ（出力電流７Ａ）以下で可変できるように構成されている。所要の電力を出力するために必要とされる燃料供給量（Ｌ／ｍｉｎ）は、図９に実線で示すように設定されている。なお、図９に示す燃料供給量は、後述する、断熱材７に蓄積された熱量の利用を行わない場合のものである。制御手段である制御部１１０は、需要電力検出手段である電力状態検出センサ１２６によって検出された需要電力と、推定された蓄熱量に応じて燃料供給量を決定し、これに基づいて燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８を制御するように構成されている。
【００６９】
発電に必要な燃料の量は出力電力（出力電流）に比例するが、図９に実線で示すように、設定されている燃料供給量は、出力電流に比例していない。これは、出力電力に比例して燃料供給量を低下させてしまうと、燃料電池モジュール２内の燃料電池セルユニット１６を発電可能な温度に維持することができなくなるためである。このため、図９に示す例では、出力電流７Ａ付近の大発電電力時には燃料利用率約７０％に設定され、出力電流２Ａ程度の小発電電力時には燃料利用率約５０％に設定されている。このように、小発電電力領域における燃料利用率を低下させ、発電に利用されずに残った燃料を燃焼させて改質器２０等の加熱に使用することにより、燃料電池セルユニット１６の温度低下を抑制し、燃料電池モジュール２内を発電可能な温度に維持している。
【００７０】
しかしながら、燃料利用率を低下させることにより、発電に寄与しない燃料を増加させることになるので、小発電電力領域における固体酸化物型燃料電池１のエネルギー効率が低下する。本実施形態の固体酸化物型燃料電池１においては、制御部１１０に内蔵された蓄熱量推定手段１１０ａ（図６）により蓄熱量を推定し、推定された蓄熱量が大きい場合には、燃料利用率を高くした残存熱量利用制御を実行する。残存熱量利用制御により、図９に実線で示す燃料供給量が変更・補正され、図９の破線に一例を示すように減少される。これにより、小発電電力領域における燃料利用率が上昇され、固体酸化物型燃料電池１のエネルギー効率が向上される。
【００７１】
図１０は、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１において、残存熱量の利用を行わずに燃料を供給した場合における出力電流と、供給された燃料の熱量との関係を模式的に示すグラフである。図１０に一点鎖線で示すように、燃料電池モジュール２を熱的に自立させ、安定に運転するために必要な熱量は、出力電流の増加と共に単調に増加する。図１０に実線で示すグラフは、残存熱量の利用を行わずに燃料が供給された場合における熱量を示している。本実施形態では、中発電電力に相当する出力電流５Ａよりも低い領域では、一点鎖線で示す必要な熱量と、実線で示す基本的な燃料供給量の熱量がほぼ一致している。
【００７２】
さらに、出力電流５Ａよりも高い領域では、実線で示す基本的な燃料供給量の熱量は、熱自立するために最低限必要な一点鎖線で示す熱量を上回っている。この実線と破線の間の余剰熱量は、燃料電池モジュール２に設けられた蓄熱材である断熱材７に蓄積される。また、固体酸化物型燃料電池１からの出力電流と、この電流を定常的に出力している場合における燃料電池モジュール２内の燃料電池セルユニット１６の温度とは相関があり、出力電流を大きくするためには燃料電池セルユニット１６の温度を高くする必要があることから、出力電流が大きい状態では燃料電池セルユニット１６の温度は高い状態にある。本実施形態の固体酸化物型燃料電池１では、出力電流５Ａ以上の場合において、より多くの熱量が断熱材７に蓄積される。
【００７３】
本実施形態においては、後述するように、断熱材７に利用可能な熱量が蓄積されている場合には、燃料供給量を減少させるように補正して、燃料利用率を向上させる。一方、燃料供給量を減少させたことにより不足する熱量は、燃料電池モジュール２の断熱材７に蓄積された熱量を利用して補充している。なお、本実施形態においては、断熱材７の熱容量が非常に大きいため、燃料電池モジュール２が大発電電力で所定時間運転された後、発電電力が小さい領域で運転される場合には、断熱材７に蓄積された熱量を２時間以上に亘って利用することができ、この間の燃料供給量を減じる補正を行うことにより燃料利用率が向上される。
【００７４】
次に、図１１及び図１２を参照して、負荷追従に伴う断熱材７への熱量の蓄積を説明する。
図１１は、需要電力の変化と、燃料供給量、及び燃料電池モジュール２から実際に取り出される電流の関係を模式的に示したグラフである。図１２は、発電用空気供給量、水供給量、燃料供給量、及び燃料電池モジュール２から実際に取り出される電流の関係の一例を示したグラフである。
【００７５】
図１１に示すように、燃料電池モジュール２は、図１１の最上段に示す需要電力に応じた電力を生成できるように制御される。制御部１１０は、需要電力に基づいて、燃料電池モジュール２が生成すべき目標の電流である燃料供給電流値Ｉｆを、図１１の２段目のグラフに示すように設定する。燃料供給電流値Ｉｆは、概ね需要電力の変化に追従するように設定されるが、燃料電池モジュール２の応答速度は需要電力の変化に対して極めて緩慢であるため、需要電力の短周期の急激な変化には追従せず、需要電力に緩やかに追従するように設定される。また、需要電力が固体酸化物型燃料電池の最大定格電力を超えた場合には、燃料供給電流値Ｉｆは最大定格電力に対応する電流値まで追従し、それ以上の電流値に設定されることはない。
【００７６】
制御部１１０は、図１１の３段目のグラフに示すように、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８を制御して、燃料供給電流値Ｉｆに対応する電力が生成できる流量の燃料供給量Ｆｒを燃料電池モジュール２に供給する。なお、燃料供給量に対する実際に発電に使用される燃料の割合である燃料利用率が一定であるとすれば、燃料供給電流値Ｉｆと燃料供給量Ｆｒは比例する。図１１のグラフは、燃料供給電流値Ｉｆと燃料供給量Ｆｒが比例するものとして描かれているが、後述するように、実際には本実施形態においても燃料利用率は一定ではない。
【００７７】
さらに、図１１の最下段のグラフに示すように、制御部１１０は、燃料電池モジュール２から取り出すことができる電流値である取出可能電流Ｉｉｎｖをインバータ５４に対して指示する信号を出力する。インバータ５４は、時々刻々急激に変化する需要電力に応じ、取出可能電流Ｉｉｎｖの範囲内で燃料電池モジュール２から電流（電力）を取り出す。需要電力が取出可能電流Ｉｉｎｖを上回る部分については、系統電力から供給される。ここで、図１１に示すように、制御部１１０がインバータ５４に指示する取出可能電流Ｉｉｎｖは、電流が増加傾向にある場合、燃料供給量Ｆｒの変化に対して所定時間遅れて変化するように設定される。例えば、図１１の時刻ｔ１０においては、燃料供給電流値Ｉｆ及び燃料供給量Ｆｒが上昇を始めた後、遅れて、取出可能電流Ｉｉｎｖの増加が開始される。また、時刻ｔ１２においても、燃料供給電流値Ｉｆ及び燃料供給量Ｆｒの増加の後、遅れて、取出可能電流Ｉｉｎｖの増加が開始される。このように、燃料供給量Ｆｒを増加させた後、実際に燃料電池モジュール２から取り出す電力を増加させるタイミングを遅らせることにより、燃料電池モジュール２に供給された燃料が改質器２０等を通って燃料電池セルスタック１４に到達するまでの時間遅れや、燃料が電池セルスタック１４に到達した後、実際の発電反応が可能になるまでの時間遅れに対処している。これにより、各燃料電池セルユニット１６において燃料枯れが発生し、燃料電池セルユニット１６が損傷されるのを確実に防止している。
【００７８】
図１２は、発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量の変化と、取出可能電流Ｉｉｎｖの関係をより詳細に示したものである。なお、図１２に示されている発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量のグラフは、何れも、各供給量に対応する電流値に換算されている。即ち、供給された発電用空気、水、及び燃料が余ることなく全て発電に使用される供給量に設定されているとすれば、各供給量のグラフが取出可能電流Ｉｉｎｖのグラフと重なるように換算されている。従って、各供給量のグラフの、取出可能電流Ｉｉｎｖに対するずれ量は、各供給量の余剰分に対応する。発電に使用されずに残った残余燃料は、燃料電池セルスタック１４上方の燃焼部である燃焼室１８において燃焼され、燃料電池モジュール２内の加熱に利用される。
【００７９】
図１２に示すように、発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量は、常に、取出可能電流Ｉｉｎｖを上回っており、各供給量によって生成可能な電流を上回る電流が燃料電池モジュール２から取り出され、燃料枯れ、空気枯れ等によって燃料電池セルユニット１６が損傷されるのを防止している。また、取出可能電流Ｉｉｎｖを上回って供給されている燃料供給量に対し、水供給量は、供給された燃料の全てを水蒸気改質可能な供給量に設定されている。即ち、供給された燃料の全てが水蒸気改質されるように、水供給量は、水蒸気改質に必要な水蒸気の量と、燃料中に含まれる炭素の量との比であるＳ／Ｃを考慮して設定されている。これにより、改質器内における炭素析出を防止している。また、需要電力の増加に伴って取出可能電流Ｉｉｎｖも増加傾向にある、図１２の領域Ａ、領域Ｃにおいては、取出可能電流Ｉｉｎｖが横這いである領域Ｂよりも、燃料供給量等の余裕量が大きく（燃料利用率が低く）設定されている。また、発電電力を増加させる場合には、制御部１１０に内蔵された電力取出遅延手段（図示せず）により、燃料電池モジュール２に供給する燃料供給量を増加させた後、遅れて、燃料電池モジュール２から出力させる発電電力が増加される。即ち、需要電力の変化に応じて燃料供給量が変化された後、遅れて、燃料電池モジュール２から実際に出力させる電力が変化される。さらに、需要電力の低下に応じて取出可能電流Ｉｉｎｖを急激に低下させた場合（領域Ｃ、領域Ｄの初期）には、各供給量は、取出可能電流Ｉｉｎｖの低下よりも所定時間遅れて低下される。従って、取出可能電流Ｉｉｎｖが急激に低下した後の所定時間の間には、非常に多くの残余燃料が発生する。このような取出可能電流Ｉｉｎｖの急激な低下は、需要電力が急激に低下した場合において、電流の逆潮流を防止するために行われる。このように、発電電力を増加させる際、及び発電電力を低下させる際には、発電電力が一定である場合よりも多くの残余燃料が発生し、この残余燃料が燃料電池モジュール２の加熱に使用されることになる。このため、燃料電池モジュール２を高発電電力で長時間運転した場合ばかりでなく、発電電力を頻繁に増減させた場合にも燃料電池モジュール２は強く加熱され、断熱材７に多くの熱量が蓄積される。
【００８０】
本実施形態の固体酸化物型燃料電池においては、高発電電力で長時間運転した後、発電電力が少なくなった場合に蓄熱を利用するばかりでなく、発電電力の増減等によって蓄積されつつある熱量が、状況に応じて逐次利用される。
【００８１】
次に、図１３乃至２０を参照して、検出温度Ｔｄに基づいて発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量を決定する手順を説明する。
図１３は、検出温度Ｔｄに基づいて発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量を決定する手順を示すフローチャートである。図１４は発電電流に対する適正な燃料電池セルスタック１４の温度を示すグラフである。図１５は積算値に応じて決定される燃料利用率を示すグラフである。図１６は、各発電電流に対して決定され得る燃料利用率の値の範囲を示すグラフである。図１７は積算値に応じて決定される空気利用率を示すグラフである。図１８は、各発電電流に対して決定され得る空気利用率の値の範囲を示すグラフである。図１９は、決定された空気利用率に対して水供給量を決定するためのグラフである。図２０は、発電電流に対する適正な燃料電池モジュール２の発電電圧を示すグラフである。
【００８２】
図１４に一点鎖線で示すように、本実施形態においては、燃料電池モジュール２によって生成すべき電流に対して、適正な燃料電池セルスタック１４の温度Ｔｓ（Ｉ）が規定されている。制御部１１０は、燃料電池セルスタック１４の温度が、適正な温度Ｔｓ（Ｉ）に近づくように、燃料供給量等を制御する。即ち、制御部１１０は、概略的には、発電電流に対して燃料電池セルスタック１４の温度が高い場合（燃料電池セルスタック１４の温度が図１４の一点鎖線よりも上にある場合）には、燃料利用率を高め、断熱材７等に蓄積されている熱量を積極的に消費して、燃料電池モジュール２内の温度を低下させる。逆に、発電電流に対して燃料電池セルスタック１４の温度が低い場合には、燃料利用率を低下させ、燃料電池モジュール２内の温度が低下しないようにする。具体的には、燃料利用率は単純な検出温度Ｔｄのみに基づいて決定されるのではなく、検出温度Ｔｄ等に基づいて決定される加減算値を積算することにより蓄熱を反映した量を計算し、この量に基づいて燃料利用率等が決定される。この加減算値を積算することによる蓄熱量の推定値は、制御部に内蔵された蓄熱量推定手段１１０ａにより計算される。
【００８３】
図１３に示すフローチャートは、温度検出手段である発電室温度センサ１４２によって検出された検出温度Ｔｄ等に基づいて発電用空気供給量、水供給量、及び燃料供給量を決定するものであり、所定の時間間隔で実行される。
【００８４】
まず、図１３のステップＳ３１においては、検出温度Ｔｄ及び図１４に基づいて、第１加減算値Ｍ１が計算される。まず、検出温度Ｔｄが、燃料電池セルスタック１４の適正温度Ｔｓ（Ｉ）に対して、所定の温度範囲内（図１４の２本の実線の間）にある場合には、第１加減算値Ｍ１は０にされる。
即ち、検出温度Ｔｄが、
Ｔｓ（Ｉ）−Ｔｅ≦Ｔｄ≦Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅ
の範囲内にある場合には、第１加減算値Ｍ１＝０にされる。ここで、Ｔｅは第１加減算値閾値温度である。なお、本実施形態においては、第１加減算値閾値温度Ｔｅは３℃である。
【００８５】
また、検出温度Ｔｄが、適正温度Ｔｓ（Ｉ）よりも低く、
Ｔｄ＜Ｔｓ（Ｉ）−Ｔｅ            （４）
の範囲内（図１４における下側の実線よりも下）にある場合には、第１加減算値Ｍ１は、
Ｍ１＝Ｋｉ×（Ｔｄ−（Ｔｓ（Ｉ）−Ｔｅ））        （５）
によって計算される。この際、第１加減算値Ｍ１は、負の値（減算値）となる。なお、Ｋｉは、所定の比例定数である。
【００８６】
また、検出温度Ｔｄが、適正温度Ｔｓ（Ｉ）よりも高く、
Ｔｄ＞Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅ            （６）
の範囲内（図１４における上側の実線よりも上）にある場合には、第１加減算値Ｍ１は、
Ｍ１＝Ｋｉ×（Ｔｄ−（Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅ））        （７）
によって計算される。この際、第１加減算値Ｍ１は、正の値（加算値）となる。このように、第１加減算値Ｍ１は、検出温度Ｔｄの他、発電電流に基づいて決定され、これを積算することにより蓄熱量が推定される。即ち、適正温度Ｔｓ（Ｉ）は、発電電流（電力）に応じて異なるように設定され、この適正温度Ｔｓ（Ｉ）に基づいて決定される（Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅ）の値、及び（Ｔｓ（Ｉ）−Ｔｅ）の値に基づいて、第１加減算値Ｍ１が正又は負の値に決定される。
【００８７】
なお、検出温度Ｔｄが（Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅ）を超えると、第１加減算値Ｍ１は正の値となり、後述するように燃料利用率を高くする燃料供給量の変更が行われるので、本明細書においては、各発電電力に対する温度（Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅ）を燃料利用率変更温度と称する。また、燃料利用率変更温度（Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅ）を超えることにより、燃料利用率を高くした高効率制御に移行した後、高効率制御から蓄積されている熱量の消費を行わない目標温度域制御に復帰するタイミングは、後述するように、第１加減算値Ｍ１等の積算値Ｎ１ｉｄが０まで低下した時点となる。このため、検出温度Ｔｄが燃料利用率変更温度（Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅ）よりも低下した後も、暫時、積算値Ｎ１ｉｄは０よりも大きい値に維持され、高効率制御が行われる。
【００８８】
次に、図１３のステップＳ３２においては、最新の検出温度Ｔｄ、及び１分前に検出された検出温度Ｔｄｂに基づいて、第２加減算値Ｍ２が計算される。まず、最新の検出温度Ｔｄと１分前の検出温度Ｔｄｂの差の絶対値が所定の第２加減算値閾値温度未満である場合には、第２加減算値Ｍ２は０にされる。なお、本実施形態においては、第２加減算値閾値温度は１℃である。
【００８９】
また、最新の検出温度Ｔｄと１分前の検出温度Ｔｄｂの差である変化温度差が所定の第２加減算値閾値温度以上の場合には、第２加減算値Ｍ２は、
Ｍ２＝Ｋｄ×（Ｔｄ−Ｔｄｂ）            （８）
によって計算される。この第２加減算値Ｍ２は、検出温度Ｔｄが上昇傾向にある場合には正の値（加算値）となり、検出温度Ｔｄが低下傾向にある場合には負の値（減算値）となる。なお、Ｋｄは、所定の比例定数である。従って、検出温度Ｔｄが上昇している場合において、変化温度差（Ｔｄ−Ｔｄｂ）が大きい領域においては、変化温度差が小さい領域よりも、速応推定値である第２加減算値Ｍ２が大きく増加される。逆に、検出温度が低下している場合において、変化温度差（Ｔｄ−Ｔｄｂ）の絶対値が大きい領域においては、変化温度差の絶対値が小さい領域よりも、第２加減算値Ｍ２は大きく減少される。
【００９０】
なお、本実施形態においては、比例定数Ｋｄは一定値であるが、変形例として、変化温度差が正の場合と負の場合で、異なる比例定数Ｋｄを使用することもできる。例えば、変化温度差が負である場合に比例定数Ｋｄを大きく設定することもできる。これにより、検出温度が低下している場合には、検出温度が上昇している場合よりも、変化温度差に対して急激に速応推定値が変化される。或いは、変形例として、変化温度差の絶対値が大きい領域において、小さい領域よりも比例定数Ｋｄを大きく設定することもできる。これにより、変化温度差の絶対値が大きい領域においては、変化温度差の絶対値が小さい領域よりも、変化温度差の変化に対して急激に速応推定値が変化される。また、変化温度差の正負に基づく比例定数Ｋｄの変更と、変化温度差の絶対値の大小に基づく比例定数Ｋｄの変更を組み合わせることもできる。
【００９１】
次いで、図１３のステップＳ３３においては、ステップＳ３１で計算された第１加減算値Ｍ１、及びステップＳ３２で計算された第２加減算値Ｍ２を、第１積算値Ｎ１ｉｄに積算する。第１積算値Ｎ１ｉｄには、第１加減算値Ｍ１により、断熱材７等に蓄積された利用可能な蓄熱量が反映され、第２加減算値Ｍ２により、直近の検出温度Ｔｄの変化が反映される。即ち、第１積算値Ｎ１ｉｄは、断熱材７等に蓄積された利用可能な蓄熱量の推定値として利用することができる。また、積算は、固体酸化物型燃料電池の運転開始後継続的に、図１３のフローチャートが実行される毎に行われ、前回計算された第１積算値Ｎ１ｉｄに、第１加減算値Ｍ１及び第２加減算値Ｍ２が加算又は減算され、新たな第１積算値Ｎ１ｉｄに更新される。第１積算値Ｎ１ｉｄは、０〜４の間の値をとるように制限されており、第１積算値Ｎ１ｉｄが４に到達した場合には、値は次に減算が行われるまで４に保持され、第１積算値Ｎ１ｉｄが０まで減少した場合には、値は次に加算が行われるまで０に保持される。
【００９２】
なお、ステップＳ３３においては、第１積算値Ｎ１ｉｄに加え、第２積算値Ｎ２ｉｄの値も計算する。第２積算値Ｎ２ｉｄは、燃料電池モジュール２に電圧降下が発生していない場合には、第１積算値Ｎ１ｉｄと全く同様に計算され、第１積算値Ｎ１ｉｄと同一の値を取る。また、燃料電池モジュール２に電圧降下が発生した場合には、第１積算値Ｎ１ｉｄの積算が停止され、第１積算値Ｎ１ｉｄと第２積算値Ｎ２ｉｄは異なる値を取るようになる。第１、第２積算値については後述する。
【００９３】
なお、上記のように、本実施形態においては、第１加減算値Ｍ１と第２加減算値Ｍ２の和を第１積算値Ｎ１ｉｄに積算することにより、積算値を計算している。即ち、
Ｎ１ｉｄ＝Ｎ１ｉｄ＋Ｍ１＋Ｍ２        （９）
により、第１積算値Ｎ１ｉｄを計算している。ここで、変形例として、第１加減算値Ｍ１と第２加減算値Ｍ２の積を積算することにより、積算値を計算しても良い。即ち、この変形例では、第１積算値Ｎ１ｉｄは、
Ｎ１ｉｄ＝Ｎ１ｉｄ＋Ｋｍ×Ｍ１×Ｍ２        （１０）
により計算される。ここで、Ｋｍは、所定の条件に応じて変更される可変の係数である。また、この変形例においては、最新の検出温度Ｔｄと１分前の検出温度Ｔｄｂの差の絶対値が所定の第２加減算値閾値温度未満である場合には、第２加減算値Ｍ２は１にされる。
【００９４】
さらに、図１３のステップＳ３４においては、計算された第１積算値Ｎ１ｉｄに基づいて、図１５及び図１６のグラフを使用して、燃料利用率が決定される。
図１５は、計算された第１積算値Ｎ１ｉｄに対する燃料利用率Ｕｆの設定値を示すグラフである。図１５に示すように、第１積算値Ｎ１ｉｄが０である場合には、燃料利用率Ｕｆは最小値である最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎに設定される。また、第１積算値Ｎ１ｉｄの増加と共に燃料利用率Ｕｆも増加し、第１積算値Ｎ１ｉｄ＝１において最大値である最大燃料利用率Ｕｆｍａｘとなる。この間、燃料利用率Ｕｆは、第１積算値Ｎ１ｉｄが小さい領域では傾きが小さく、第１積算値Ｎ１ｉｄが１に近づくほど傾きが大きくなる。即ち、推定蓄熱量が大きい領域においては、推定蓄熱量が小さい領域よりも、推定蓄熱量の変化に対して大幅に燃料利用率Ｕｆが変化される。換言すれば、推定された蓄熱量が大きいほど大幅に燃料利用率Ｕｆを高めるように燃料供給量が減少される。さらに、第１積算値Ｎ１ｉｄが１よりも大きい場合には、燃料利用率Ｕｆは最大燃料利用率Ｕｆｍａｘに固定される。これらの最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎ及び最大燃料利用率Ｕｆｍａｘの具体的な値は、発電電流に基づいて、図１６に示すグラフにより決定される。このように、断熱材７等に利用可能な熱量が蓄積されていることが推定された場合には、利用可能な熱量が蓄積されていない場合よりも同一の発電電力に対して燃料利用率が高くなるように、燃料供給量が減少される。
【００９５】
図１６は、各発電電流に対し、燃料利用率Ｕｆがとり得る値の範囲を示すグラフであり、各発電電流について燃料利用率Ｕｆの最大値及び最小値が示されている。図１６に示すように、各発電電流に対する最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎは、発電電流の増加と共に大きくなるように設定されている。即ち、発電電力が大きいときは燃料利用率が高く、発電電力が小さいときには燃料利用率が低くなるように設定されている。この最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎの直線は、図９における実線に対応するものであり、この直線上の燃料利用率に設定された場合には、断熱材７等に蓄積された熱量を利用することなく、燃料電池モジュール２は熱的に自立することができる。
【００９６】
一方、最大燃料利用率Ｕｆｍａｘは、各発電電流に対して折れ線状に変化するように設定されている。ここで、各発電電流に対して燃料利用率Ｕｆがとり得る値の範囲（最大燃料利用率Ｕｆｍａｘと最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎの差）は、最大の発電電流で最も狭く、発電電流が減少するにつれて広くなる。これは、最大の発電電流付近では、熱的に自立可能な最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎが高く、蓄熱を利用しても燃料利用率Ｕｆを高める（燃料供給量を減じる）余地が少ないためである。さらに、発電電流が減少するにつれて熱的に自立可能な最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎは低くなるため、蓄熱を利用することにより燃料供給量を減じる余地が大きくなり、蓄熱量が多い場合には、燃料利用率Ｕｆを大幅に高めることが可能である。このため、発電電力が小さい領域においては、発電電力が大きい領域よりも、広い範囲で燃料利用率が変更される。
【００９７】
また、発電電流が非常に小さい、所定の利用率抑制発電量ＩＵ以下の領域においては、発電電力が小さくなるほど燃料利用率Ｕｆがとり得る値の範囲が狭くなるように設定されている。これは、発電電流が小さい領域では、熱的に自立可能な最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎが低く、これを改善する余地は大きい。しかしながら、発電電流が小さい領域では、燃料電池モジュール２内の温度が低いため、この状態で大幅に燃料利用率Ｕｆを改善し、断熱材７等に蓄積されている熱量を急激に消費すると、燃料電池モジュール２内の過剰な温度低下を招くリスクがある。このため、発電電流が非常に小さい利用率抑制発電量ＩＵ以下の領域においては、発電電力が小さくなるほど燃料利用率Ｕｆを高める変更量が大幅に抑制される。即ち、燃料供給量を減少させる変更量は燃料電池モジュール２の発電量が少ないほど少なくなる。これにより、急激な温度低下のリスクを回避すると共に、蓄積された熱量を長時間に亘って利用することを可能にしている。
【００９８】
本実施形態においては、制御部１１０に内蔵された燃料供給量変更手段（図示せず）により、最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎに対して燃料利用率Ｕｆが高くなるように燃料供給量が減少される。この燃料供給量変更手段（図示せず）は、ベースとなる燃料供給量を変更して燃料利用率を高めるように作用する。
【００９９】
図１３のステップＳ３４においては、発電電流に基づいて、最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎ及び最大燃料利用率Ｕｆｍａｘの具体値を、図１６のグラフを使用して決定する。次に、決定された最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎ及び最大燃料利用率Ｕｆｍａｘを図１５のグラフに適用し、ステップＳ３３において計算された第１積算値Ｎ１ｉｄに基づいて、燃料利用率Ｕｆを決定する。
【０１００】
次に、図１３のステップＳ３５においては、第２積算値Ｎ２ｉｄに基づいて、図１７及び図１８のグラフを使用して、空気利用率が決定される。
図１７は、計算された第２積算値Ｎ２ｉｄに対する空気利用率Ｕａの設定値を示すグラフである。図１７に示すように、第２積算値Ｎ２ｉｄが０乃至１である場合には、空気利用率Ｕａは最大値である最大空気利用率Ｕａｍａｘに設定される。さらに、第２積算値Ｎ２ｉｄが１を超えて増加すると共に空気利用率Ｕａは低下し、第２積算値Ｎ２ｉｄ＝４において最小値である最小空気利用率Ｕａｍｉｎとなる。このように、空気利用率Ｕａを低下させることによる増加分の空気は冷却用の流体として作用するので、図１７に示す空気利用率Ｕａの設定は、強制冷却手段として作用する。これらの最小空気利用率Ｕａｍｉｎ及び最大空気利用率Ｕａｍａｘの具体的な値は、発電電流に基づいて、図１８に示すグラフにより決定される。
【０１０１】
図１８は、各発電電流に対し、空気利用率Ｕａがとり得る値の範囲を示すグラフであり、各発電電流について燃料利用率Ｕａの最大値及び最小値が示されている。図１８に示すように、各発電電流に対する最大空気利用率Ｕａｍａｘは、発電電流の増加と共に僅かに大きくなるように設定されている。一方、最小空気利用率Ｕａｍｉｎは、発電電流の増加と共に低下する。空気利用率Ｕａを、最大空気利用率Ｕａｍａｘよりも低下させる（空気供給量を増大させる）ことは、発電に必要な空気よりも多い空気を燃料電池モジュール２内に導入することになり、これにより、燃料電池モジュール２内の温度は低下される。従って、燃料電池モジュール２内の温度が過剰に上昇し、温度を低下させる必要がある場合には、空気利用率Ｕａを低下させる。本実施形態においては、発電電流の増加と共に最小空気利用率Ｕａｍｉｎを低下（空気供給量を増加）させていくと、所定の発電電流において、最小空気利用率Ｕａｍｉｎに対応する空気供給量が発電用空気流量調整ユニット４５の最大空気供給量を超えてしまう。このため、最小空気利用率Ｕａｍｉｎが図１８において破線で示されている所定の発電電流以上の領域では、図１７のグラフによって設定された空気利用率Ｕａを実現することができない場合がある。この場合には、実際に供給される空気供給量は、設定された空気利用率Ｕａに関わらず、発電用空気流量調整ユニット４５の最大空気供給量に固定される。これに伴い、所定の発電電流以上では、実際に実現される最小の空気利用率Ｕａは増大する。また、最大空気供給量が大きい発電用空気流量調整ユニットを使用した場合には、図１８に破線で示された部分の最小空気利用率Ｕａｍｉｎを実現することもできる。なお、発電用空気流量調整ユニット４５の最大空気供給量に達することにより規定された空気利用率Ｕａを、限界最小空気利用率ＵＬａｍｉｎと記載する。
【０１０２】
図１３のステップＳ３５においては、発電電流に基づいて、最小空気利用率Ｕａｍｉｎ及び最大空気利用率Ｕａｍａｘの具体値を、図１８のグラフを使用して決定する。次に、決定された最小空気利用率Ｕａｍｉｎ及び最大空気利用率Ｕａｍａｘを図１７のグラフに適用し、ステップＳ３３において計算された第２積算値Ｎ２ｉｄに基づいて、空気利用率Ｕａを決定する。
【０１０３】
次に、図１３のステップＳ３６においては、ステップＳ３５において決定された空気利用率Ｕａに基づき、図１９を使用して水蒸気量と炭素量の比であるＳ／Ｃを決定する。
図１９は、横軸を空気利用率Ｕａ、縦軸を、供給された水蒸気量と、燃料に含まれる炭素量との比Ｓ／Ｃとしたグラフである。
【０１０４】
まず、ステップＳ３５において設定された空気利用率Ｕａが、発電用空気流量調整ユニット４５の最大空気供給量によって規定されていない発電電流の領域（図１９におけるＵａｍａｘ〜ＵＬａｍｉｎ間）では、水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃの値は、２．５に固定される。なお、水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃ＝１とは、供給された燃料に含まれる炭素の全量が、供給された水（水蒸気）により化学的に過不足なく水蒸気改質される状態を意味する。従って、水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃ＝２．５とは、燃料を水蒸気改質するために化学的に必要最小限の水蒸気量の２．５倍の水蒸気（水）が供給されている状態を意味する。実際には、Ｓ／Ｃ＝１となる水蒸気量では改質器２０内において炭素析出が発生してしまうため、Ｓ／Ｃ＝２．５程度となる水蒸気量が燃料を水蒸気改質するための適量である。
【０１０５】
次に、ステップＳ３５において設定される空気利用率Ｕａが、発電用空気流量調整ユニット４５の最大空気供給量によって制限される発電電流の領域では、図１９のグラフを使用して水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃが決定される。図１９において、横軸は空気利用率Ｕａであり、空気利用率Ｕａが大きく、最大空気利用率Ｕａｍａｘに近いほど空気供給量は少なくなる。一方、空気利用率Ｕａを低下させ、最小空気利用率Ｕａｍｉｎ（図１８における破線）に近づくと、空気供給量が限界に達し、空気利用率Ｕａは限界最小空気利用率ＵＬａｍｉｎになる。図１９に示すように、空気利用率Ｕａが限界最小空気利用率ＵＬａｍｉｎよりも大きい（空気供給量が少ない）場合には、水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃ＝２．５に設定される。さらに、ステップＳ３５において決定された空気利用率Ｕａが、限界最小空気利用率ＵＬａｍｉｎよりも小さい（空気供給量が多い）場合（図１９におけるＵａｍｉｎ〜ＵＬａｍｉｎ間）には、空気利用率Ｕａの減少と共に水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃは増大され、最小空気利用率Ｕａｍｉｎにおいて、Ｓ／Ｃ＝３．５に設定される。即ち、ステップＳ３５において決定された空気利用率Ｕａが、限界最小空気利用率ＵＬａｍｉｎにより実現できない場合（空気利用率Ｕａが図１８の斜線の範囲内に決定された場合）には、水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃを増大させ、水供給量を増大させる。これにより、改質器２０から流出する改質された燃料ガスの温度を低下させ、燃料電池モジュール２内の温度を低下傾向にする。このように、空気利用率Ｕａを低下させて空気供給量を増加させた後、水供給量を増大させると、増加分の水（水蒸気）は、冷却用の流体として作用するので、図１９に示す水供給量の設定は強制冷却手段として作用する。
【０１０６】
ステップＳ３７においては、ステップＳ３４、Ｓ３５、及びＳ３６において決定された燃料利用率Ｕｆ、空気利用率Ｕａ、及び水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃと、発電電流に基づいて、具体的な燃料供給量、空気供給量、水供給量を決定する。即ち、全量が発電に使用されるとした場合の燃料供給量を、決定された燃料利用率Ｕｆで除することにより実際の燃料供給量を計算し、全量が発電に使用されるとした場合の空気供給量を決定された空気利用率Ｕａで除することにより実際の空気供給量を計算する。また、計算された燃料供給量及びステップＳ３６において決定された水蒸気量と炭素量の比Ｓ／Ｃに基づいて、水供給量を計算する。
【０１０７】
次いで、ステップＳ３８において、排気ガスを適正化するために空気供給量を補正するサブルーチン（図２１）を実行する。後述するように、図２１に示すサブルーチンでは、所定の場合に発電用空気供給量が補正される。制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８、発電用空気流量調整ユニット４５、及び水供給手段である水流量調整ユニット２８に信号を送り、ステップＳ３７において計算された量の燃料及び水、及びステップＳ３８において補正された量の空気、を供給し、図１３のフローチャートの１回の処理を終了する。
【０１０８】
次に、図１３のフローチャートを実行する時間間隔を説明する。本実施形態において、図１３のフローチャートは、出力電流が大きい場合には、０．５秒毎に実行され、出力電流が低下するにつれて、その２倍の１秒、４倍の２秒、８倍の４秒毎に実行される。これにより、第１及び第２加減算値が一定値である場合には、時間当たりの第１又は第２積算値の変化は、出力電流が少ないほど緩やかになる。即ち、蓄熱量推定手段１１０ａは、出力電流（発電電力）が大きいほど蓄熱量の推定値を時間に対して急激に変化させる。これにより、積算値による蓄熱量の推定が、実際の蓄熱量を良く反映したものとなる。
【０１０９】
次に、図２０を参照して、燃料電池セルスタック１４の出力電圧が低下した場合における、燃料供給量、空気供給量、及び水供給量の決定手順を説明する。図２０は、燃料電池モジュール２による発電電流に対する発電電圧を示す図である。一般に、燃料電池セルスタック１４には、内部抵抗が存在するため、図２０に示すように、燃料電池モジュール２から出力される電流が増大すると、電圧は低下する。図２０に示す一点鎖線は、燃料電池モジュール２が適正に運転されている場合における発電電流と発電電圧の関係を示している。また、燃料電池モジュール２の運転状態によっては、一時的に、一点鎖線に示されている発電電流と発電電圧の関係よりも発電電圧が低下する。或いは、燃料電池モジュール２に劣化が生じている場合には、燃料電池セルスタック１４の内部抵抗が増大するため、同一の発電電流に対する発電電圧が恒常的に低下する。
【０１１０】
本実施形態の固体酸化物型燃料電池においては、初期の発電電圧に対して、発電電圧が１０％以上低下し、発電電圧が図２０の実線よりも下の領域に入ると、この発電電圧の低下に対応した処理により燃料供給量、空気供給量、及び水供給量を決定している。
【０１１１】
即ち、発電電圧が図２０の実線よりも下の領域にある場合には、図１３のステップＳ３３において、第１積算値Ｎ１ｉｄの積算を停止させ、第２積算値Ｎ２ｉｄの積算のみが継続される。これにより、燃料利用率Ｕｆを決定するための図１５のグラフを参照する際に使用される第１積算値Ｎ１ｉｄの値は、一定値に固定される。これにより、燃料利用率Ｕｆは、発電電圧が図２０の実線よりも下の領域から脱するまで固定される。このように、燃料電池モジュール２の発電電圧に大きな電圧降下が発生している場合には、燃料利用率Ｕｆを高める変更が少なくされる。一方、空気利用率Ｕａを決定するための図１７のグラフを参照する際に使用される第２積算値Ｎ２ｉｄの値は、従前の通り増減され、空気利用率Ｕａの増減は継続される。このように、燃料利用率Ｕｆは、推定蓄熱量に対応した第１、第２積算値、需要電力の他に、燃料電池モジュール２の出力電圧に基づいて変更される。
【０１１２】
次に、図２１乃至図２３を参照して、排気ガスの適正化を説明する。
図２１は、図１３のステップＳ３８において呼び出される、排気ガス適正化制御を行うためのサブルーチンのフローチャートである。図２２は、排気ガスを適正化するための発電用空気供給量の補正値を表すグラフである。図２３は、発電用空気供給量の補正を実行する空燃比の閾値と、発電電力の関係を表すグラフである。
【０１１３】
燃料電池モジュール２に供給された燃料は、燃料電池セルスタック１４の各燃料電池セルユニット１６の内部に導かれる。各燃料電池セルユニット１６内において発電に利用されずに残った残余燃料は、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出する。一方、燃料電池モジュール２に供給された発電用空気は各燃料電池セルユニット１６の外側を流れ、発電に利用されずに残った残余の空気は、各燃料電池セルユニット１６の間を通ってその上端に至る。各燃料電池セルユニット１６の上端から流出した残余燃料は、燃焼室１８内の発電に利用されずに残った空気と反応し、燃焼される。残余燃料の燃焼ガスは、改質器２０を加熱した後、空気用熱交換器２２を経て発電用空気を予熱し、排気ガス室通路８０、排気ガス室７８、排気ガス排出管８２を通って排出される（図２、図３）。
【０１１４】
一般に、燃料電池の運転時においては、残余燃料の全てを完全燃焼させるために十分な量の発電用空気が常に供給されているが、実際には、残余燃料の全てが燃焼室１８内で完全燃焼されることはなく、残余燃料の僅かな部分は未燃ガスのまま排出され、また、僅かな部分は不完全燃焼された状態で排出される。このように、未燃ガス、又は一酸化炭素等の不完全燃焼ガスとして排出されるガスは、排気ガスの極一部であり、そのまま大気中に排出されても問題のない量であるが、制御部１１０に内蔵されている排気ガス適正化手段１１０ｃ（図６）は、未燃ガス及び不完全燃焼ガスの排出を抑制するように運転状態を調整する。また、排気ガス中に含まれる未燃ガス及び不完全燃焼ガスの量は、残余燃料に対して発電用空気供給量が少ない場合に増加する他、残余燃料に対して発電用空気供給量が多すぎる場合にも増加する。これは、発電用空気供給量が多い場合には、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出した残余燃料が燃焼する炎が、燃料電池セルユニット１６から浮き上がり、十分に燃焼されないまま残余の発電用空気の流れによって燃焼室１８から運び出されてしまうためである。従って、残余の発電用空気と残余燃料の比である残余空燃比には適正な範囲がある。
【０１１５】
まず、図２１のステップＳ４１においては、図１３のステップＳ３７において決定された燃料供給量、及び発電用空気供給量が読み込まれる。次に、ステップＳ４２においては、発電用空気供給量と燃料供給量の比Ａ／Ｆが計算される。ステップＳ４２において計算される発電用空気供給量と燃料供給量の比Ａ／Ｆは、残余の発電用空気と残余燃料の比ではなく、供給量の比である。
【０１１６】
次に、ステップＳ４３においては、燃料電池モジュール２内の温度（燃料電池セルスタック１４の温度）が、所定の排気ガス適正化温度範囲内にあるか否か判断される。本実施形態においては、燃料電池セルスタック１４の温度が６００℃以上、６８０℃以下の場合に、排気ガス適正化温度範囲内にあると判断される。排気ガス適正化温度範囲内にある場合にはステップＳ４４に進み、排気ガス適正化温度範囲内にない場合にはステップＳ４５に進む。
【０１１７】
ステップＳ４４においては、燃料電池セルスタック１４が適正な温度状態にあるため、排気ガスの適正化が重視され、排気ガスを適正化するために発電用空気供給量の大幅な補正である補正量ａ（図２２におけるａ）が選択される。一方、ステップＳ４５においては、燃料電池セルスタック１４が、適正な温度状態にないため、排気ガスの適正化よりも燃料電池セルスタック１４を適正な温度範囲に制御することが優先され、発電用空気供給量の小幅な補正である補正量ｂ（図２２におけるｂ）が選択される。この場合には、図１３のフローチャートにより決定された、燃料電池モジュール２内の温度を適正値に制御するための発電用空気供給量が重視され、これに対する補正は小幅なものに留められる。このように、排気ガス適正化手段１１０ｃは、燃料電池モジュール２内の温度に基づいて、発電用空気供給量の補正を変更する。
【０１１８】
次に、ステップＳ４６においては、制御部１１０に内蔵された排気ガス状態判定手段１１０ｂ（図６）により、ステップＳ４２おいて計算された発電用空気供給量と燃料供給量の比Ａ／Ｆが、その最小値Ａ／Ｆｍｉｎと最大値Ａ／Ｆｍａｘの間にあるか否かが判断される。ここで、発電用空気供給量と燃料供給量の比Ａ／Ｆの最大値Ａ／Ｆｍａｘの値は、燃料電池モジュール２の発電電力に基づいて、図２３により決定される。
【０１１９】
発電用空気供給量と燃料供給量の比Ａ／Ｆが、最小値Ａ／Ｆｍｉｎ以上、最大値Ａ／Ｆｍａｘ以下の場合には、残余空燃比が適正な範囲にあると推定されるため、発電用空気供給量の補正を行うことなく図２１のフローチャートの１回の処理を終了する。一方、発電用空気供給量と燃料供給量の比Ａ／Ｆが、最小値Ａ／Ｆｍｉｎ未満、又は最大値Ａ／Ｆｍａｘを超えている場合には、残余空燃比が適正な範囲にないと推定されるため、ステップＳ４７に進む。
【０１２０】
ステップＳ４７においては、図２２を使用して、発電用空気供給量の補正量が決定される。ステップＳ４４において補正量ａが選択されている場合には、図２２の線ａにより補正量が決定される。即ち、発電用空気供給量と燃料供給量の比Ａ／Ｆが最小値Ａ／Ｆｍｉｎ未満の場合には補正量は正の値になり、Ａ／Ｆが低いほど大幅に発電用空気供給量が増加補正される。また、Ａ／Ｆが所定値以下の場合には、補正量は増加せず、一定値に維持される。このように決定された補正量を、図１３のフローチャートにより決定された発電用空気供給量に加算することにより、補正発電用空気供給量が決定される。この発電用空気供給量の補正により、燃料電池モジュール２に供給される発電用空気供給量と燃料供給量の比Ａ／Ｆは、最小値Ａ／Ｆｍｉｎに近い値に維持される。
【０１２１】
一方、発電用空気供給量と燃料供給量の比Ａ／Ｆが最大値Ａ／Ｆｍａｘ以上の場合には補正量は負の値になり、Ａ／Ｆが大きいほど大幅に発電用空気供給量が減量補正される。また、Ａ／Ｆが所定値以上の場合には、補正量の絶対値は増加せず、一定値に維持される。このように決定された負の補正量を、図１３のフローチャートにより決定された発電用空気供給量に加算することにより、補正発電用空気供給量が決定される。この発電用空気供給量の減量補正により、燃料電池モジュール２に供給される発電用空気供給量と燃料供給量の比Ａ／Ｆは、最小値Ａ／Ｆｍａｘに近い値に維持される。
【０１２２】
ここで、最大値Ａ／Ｆｍａｘの値は、図２３に示すグラフを使用して、燃料電池モジュール２の発電電力に基づいて決定される。図２３に示すように、最大値Ａ／Ｆｍａｘの値は、概ね、発電電力が増加するほど低下するように決定される。また、所定の発電電力以下、所定の発電電力以上では、最大値Ａ／Ｆｍａｘの値は一定に維持される。発電電力が大きい場合には、燃料電池モジュール２に供給された燃料のうち多くの部分が各燃料電池セルユニット１６において発電に使用される。このため、残余の発電用空気と残余燃料の比である、燃焼室１８内における残余空燃比は、発電用空気供給量と燃料供給量の比である空燃比Ａ／Ｆよりも増大していると推定される。本実施形態においては、発電電力が大きくなるほど最大値Ａ／Ｆｍａｘの値が低下され、発電用空気供給量の補正により、この低下された最大値Ａ／Ｆｍａｘの値に空燃比Ａ／Ｆが概ね維持される。従って、ステップＳ４４において補正量ａが選択されている場合には、発電電力に関わらず、推定される残余空燃比を適正な所定範囲に維持される。このように、本実施形態においては、発電電力、燃料供給量、及び発電用空気供給量に基づいて、残余空燃比が推定される。
【０１２３】
一方、ステップＳ４５において補正量ｂが選択されている場合には、図２２の線ｂにより補正量が決定される。図２２の線ｂによる補正量も、線ａと同傾向である。しかしながら、線ｂが選択された場合には補正量の絶対値は小さく、燃料電池モジュール２内を適正温度にするために、図１３のフローチャートにより決定された発電用空気供給量が重視され、補正量は僅かである。このため、ステップＳ４５において補正量ｂが選択されている場合には、発電用空気供給量の補正が実行されても、残余空燃比は、排気ガスを適正化するための所定範囲から外れる場合がある。
【０１２４】
次に、ステップＳ４８においては、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８、発電用空気流量調整ユニット４５、及び水供給手段である水流量調整ユニット２８に信号を送り、図１３に示すフローチャートにより計算された量の燃料及び水、及びステップＳ４７において補正された量の発電用空気、を供給し、図２１のフローチャートの１回の処理を終了する。
【０１２５】
次に、図１３及び図２１のフローチャートによって実現される固体酸化物型燃料電池の作用を説明する。
まず、ステップＳ３３において計算される第１積算値Ｎ１ｉｄの値が０である場合には、ステップＳ３４において決定される燃料利用率Ｕｆが、その発電電流における最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎ（燃料供給量最大）に設定される。これにより、第１積算値Ｎ１ｉｄの値が０であり、断熱材７等に蓄積された熱量が少ない状態においても、燃料電池モジュール２が熱的に自立できる十分な燃料が供給される。また、ステップＳ３３において計算される第２積算値Ｎ２ｉｄの値が、第１積算値Ｎ１ｉｄと同様に０である場合には、ステップＳ３５において決定される空気利用率Ｕａが、その発電電流における最大空気利用率Ｕａｆｍａｘ（空気供給量最小）に設定される。このため、燃料電池モジュール２に導入される発電用の空気により燃料電池セルスタック１４が冷却される作用は最小にされ、燃料電池セルスタック１４の温度を上昇傾向にすることができる。
【０１２６】
次に、検出温度Ｔｄが適正温度Ｔｓ（Ｉ）よりも高く、Ｔｄ＞Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅの状態で燃料電池モジュール２が運転されると、第１加減算値Ｍ１の値は正値となり、第１積算値Ｎ１ｉｄの値が０よりも大きくなる。これにより、図１５において、最小燃料利用率Ｕｆｍｉｎよりも高い燃料利用率Ｕｆが設定されて燃料供給量が減少され、発電に使用されずに残る残余燃料の量が減少される。燃料利用率Ｕｆは、燃料供給量変更手段１１０ａにより、推定蓄熱量に対応した第１積算値Ｎ１ｉｄの値が大きいほど大幅に高くされる。燃料利用率Ｕｆが高められることにより、燃料供給量は熱自立可能な供給量よりも少なくされ、断熱材７等に蓄積された熱量を利用した高効率制御が実行される。残余燃料の量が減少され、断熱材７等に蓄積された熱量が利用されるので、燃料供給量変更手段１１０ａは、発電を継続しながら燃料電池モジュール２内の温度上昇を抑制する。Ｔｄ＞Ｔｓ（Ｉ）＋Ｔｅの状態で運転が継続されると、正値の第１加減算値Ｍ１の積算が繰り返され、第１積算値Ｎ１ｉｄの値も増大する。第１積算値Ｎ１ｉｄが１に達すると、燃料利用率Ｕｆは、最大燃料利用率Ｕａｆｍａｘ（燃料供給量最小）に設定される。このように、燃料電池モジュール２に供給される燃料は、断熱材７等に蓄積された熱量を反映した、検出温度Ｔｄの過去の履歴に基づいて決定される。
【０１２７】
第１積算値Ｎ１ｉｄが更に増大し、１を超えた場合においても、図１５に示すように、燃料利用率Ｕｆは、最大燃料利用率Ｕａｆｍａｘ（燃料供給量最小）に維持される。一方、第１積算値Ｎ１ｉｄと同一の値をとる第２積算値Ｎ２ｉｄの値（燃料電池モジュール２の出力電圧が低下していない場合）も１を超えるので、図１７に基づいて、空気利用率Ｕａが低下（空気供給量増加）される。これにより、燃料電池モジュール２内は、供給される空気の増加により冷却傾向となる。
【０１２８】
これに対して、検出温度Ｔｄが適正温度Ｔｓ（Ｉ）よりも低く、Ｔｄ＜Ｔｓ（Ｉ）−Ｔｅの状態で燃料電池モジュール２が運転されると、第１加減算値Ｍ１の値は負値となり、第１積算値Ｎ１ｉｄの値は減少される。これにより、燃料利用率Ｕｆは、維持（第１積算値Ｎ１ｉｄ＞１）又は低下（第１積算値Ｎ１ｉｄ≦１）される。また、空気利用率Ｕａは、増大（第２積算値Ｎ２ｉｄ＞１）又は維持（第２積算値Ｎ２ｉｄ≦１）される。これにより、燃料電池モジュール２内の温度を上昇傾向にすることができる。
【０１２９】
以上は、検出温度Ｔｄの履歴に基づいて計算される第１加減算値Ｍ１のみに注目した固体酸化物型燃料電池の作用であるが、第１積算値Ｎ１ｉｄ及び第２積算値Ｎ２ｉｄは、第２加減算値Ｍ２によっても影響を受ける。燃料電池モジュール２、特に、燃料電池セルスタック１４は、非常に熱容量が大きく、その検出温度Ｔｄの変化は極めて緩慢である。このため、検出温度Ｔｄが一旦上昇傾向に入ると、その温度上昇を短時間で抑制することは困難であり、また、検出温度Ｔｄが低下傾向に入った場合にも、これを上昇傾向に戻すには長い時間を要する。このため、検出温度Ｔｄに上昇又は低下の傾向が現れた場合には、これに迅速に反応して第１、第２積算値を修正する必要がある。
【０１３０】
即ち、最新の検出温度Ｔｄが、１分前の検出温度Ｔｄｂよりも第２加減算値閾値温度以上高い場合には、第２加減算値Ｍ２が正の値となり、第１、第２積算値が増大される。これにより、検出温度Ｔｄが上昇傾向に入ったことを第１、第２積算値に反映させることができる。同様に、最新の検出温度Ｔｄが、１分前の検出温度Ｔｄｂよりも第２加減算値閾値温度以上低い場合には、第２加減算値Ｍ２が負の値となり、第１、第２積算値が減少される。即ち、発電室温度センサ１４２により検出された最新の検出温度Ｔｄと、過去の検出温度Ｔｄｂとの差である変化温度差に基づいて速応推定値である第２加減算値Ｍ２が計算される。従って、検出温度Ｔｄが急激に低下している場合には、緩やかに低下している場合よりも、燃料利用率Ｕｆを高める変更量が大幅に抑制され、また、発電電力が利用率抑制発電量ＩＵ以下の領域では最大燃料利用率Ｕｆｍａｘも低く設定されているため、変更量は、より大幅に抑制される。これにより、検出温度Ｔｄが低下傾向に入ったことを第１、第２積算値に反映させることができる。このように、本実施形態においては、検出温度Ｔｄに基づいて決定された第１加減算値Ｍ１の積算値、及び新しく検出された検出温度Ｔｄと過去に検出された検出温度Ｔｄｂの差に基づく差分値に基づいて蓄熱量が推定される。即ち、本実施形態においては、検出温度Ｔｄの履歴に基づいて計算される基本推定値である第１加減算値Ｍ１の積算値、及び基本推定値を計算する履歴よりも短い期間における検出温度Ｔｄの変化率に基づいて計算される速応推定値である第２加減算値Ｍ２に基づいて、蓄熱量推定手段１１０ｂにより蓄熱量が推定される。このように、本実施形態においては、基本推定値と速応推定値の和に基づいて蓄熱量が推定される。
【０１３１】
なお、燃料電池モジュール２の温度変化は、検出温度ＴｄとＴｄｂを検出する間隔である１分に比して極めて緩慢であるため、第２加減算値Ｍ２は０である場合が多い。このため、第１、第２積算値は、主に第１加減算値Ｍ１によって支配され、検出温度Ｔｄの上昇又は低下傾向が現れたとき、第２加減算値Ｍ２が、第１、第２積算値の値を修正するように作用する。このように、蓄熱量の推定値には、検出温度の履歴の他に、第２加減算値Ｍ２によって直近の検出温度Ｔｄの変化が加味される。このため、直近の検出温度Ｔｄの変化が大きい（第２加減算値閾値温度以上の変化）場合には、第２加減算値Ｍ２が値を持つので、蓄熱量の推定値が修正され、燃料利用率Ｕｆが大幅に変更される。
【０１３２】
このように、図１３に示すフローチャートにより実現される残存熱量利用制御は、断熱材７に蓄積された熱量が多い場合には燃料利用率を高めることにより燃料電池モジュール２内の温度を低下させ、蓄積された熱量が少ない場合には燃料利用率を低下させることにより燃料電池モジュール２内の温度を上昇させることにより、燃料電池モジュール２内の温度を適正範囲に維持するので、適正温度制御として機能する。
【０１３３】
また、図１３のフローチャートから呼び出される図２１に示すフローチャートにより、排気ガスの状態を適正化すべく発電用空気供給量が補正される。従って、図２１に示すフローチャートにより、排気ガス適正化制御が実現される。この排気ガス適正化制御による発電用空気供給量の補正は、燃料電池モジュール２内の温度が、所定の排気ガス適正化温度範囲にない場合には、大幅に抑制される。即ち、図１３のフローチャートによる適正温度制御は排気ガス適正化制御よりも優先的に実行され、温度が排気ガス適正化温度範囲にない場合には、排気ガス適正化制御は大幅に抑制される。発電用空気供給量の補正は、燃料を供給することによる加熱と、発電用空気を供給することによる冷却とのバランスを崩すことに繋がるが、燃料電池モジュール２内の温度が排気ガス適正化温度範囲にある場合には、補正によるバランスの変化は、適正温度制御により吸収される。即ち、温度が排気ガス適正化温度範囲にある場合には、補正による加熱と冷却のバランスの変化は適正温度制御により容易に補償され、燃料電池モジュール２内の温度は適正温度に復帰される。一方、燃料電池モジュール２内の温度が排気ガス適正化温度範囲にない場合は、発電用空気供給量の補正は大幅に抑制されるため、加熱と冷却のバランスが補正により大幅に崩れることはない。このため、排気ガス適正化制御により発電用空気供給量の増減が急激な温度低下や、過昇温を招くことはない。
【０１３４】
さらに、図２１のフローチャートによる排気ガス適正化制御においては、燃焼室１８における残余の発電用空気と残余燃料の比である残余空燃比が適切な値になるように、適正温度制御により設定された発電用空気供給量が補正される。発電用空気供給量の補正には、図２３に示すように発電電力が加味され、発電電力に影響を受ける残余空燃比を適切な値に維持することができる。即ち、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１においては、燃料供給量、発電用空気供給量及び発電電力に基づいて残余空燃比が推定され、推定された残余空燃比に基づいて排気ガスが適正化される。また、排気ガス適正化制御においては、発電用空気供給量のみを補正して、残余空燃比が適切な値になるよう制御しているため、燃料供給量の急激な変化により残余燃料の燃焼が不安定化し、燃料電池モジュール２内の温度の急激な変化を抑制することができる。
【０１３５】
本発明の実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、推定された蓄熱量が大きい場合には、同一の発電電力に対して燃料利用率が高くされる（図１５、図１６）ので、蓄積された熱量を利用して、固体酸化物型燃料電池１のエネルギー効率を向上させることができる。また、本実施形態によれば、蓄熱量が大きい場合には蓄熱が利用されるので、エネルギー効率を低下させることなく、燃料電池モジュール２内の温度を適正温度範囲に維持することができる。しかしながら、エネルギー効率や、作動温度を優先して燃料供給量及び発電用空気供給量を決定していると、排気ガス中の一酸化炭素濃度が上昇する等、排気ガスが不適切な状態になる場合があるという技術課題が生じる。本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、排気ガス適正化手段１１０ｃが、排気ガスが適正状態になるように燃料供給量及び／又は発電用空気供給量を補正するので、エネルギー効率の向上と、排気ガスの適正化を両立させることができる。
【０１３６】
また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、排気ガス状態判定手段１１０ｂが残余空燃比を推定することにより、排気ガスの状態が推定され、排気ガスの状態が判定されるので、特別なセンサーを用いることなく排気ガスを適正な状態にすることができる。
【０１３７】
さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、発電用空気供給量、燃料供給量に加え、発電電力（図２３）を加味して残余空燃比を推定している。ここで、一般に、排気ガスの状態は、供給された空気と燃料の比ではなく、燃焼室１８内における空気と燃料の比に依存する。この比には、発電により消費された燃料及び空気の量が強い影響を与える。本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、発電電力を加味して残余空燃比を推定しているので、より正確に排気ガスの状態を判定することができる。
【０１３８】
また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、燃料電池セルスタック１４の温度条件に基づいて補正が変更される（図２１のステップＳ４３）ので、排気ガスの状態を適正に保つと同時に、エネルギー効率を向上させることができる。また、燃料電池セルスタック１４の温度が所定の排気ガス適正化温度範囲内にない場合には、排気ガスを適正化するための補正が抑制されるので、温度降下や、過昇温を回避することができ、安定して固体酸化物型燃料電池１を運転することができる。
【０１３９】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。
特に、上述した実施形態においては、燃料電池モジュール２内の温度が排気ガス適正化温度範囲内にある場合には、発電用空気供給量を大幅に補正し（図２１、ステップＳ４４）、排気ガス適正化温度範囲内にない場合には、発電用空気供給量を小幅に補正し（図２１、ステップＳ４５）ていたが、変形例として、排気ガス適正化温度範囲内にない場合には発電用空気供給量が補正されないように、本発明を構成することができる。この変形例によれば、排気ガス適正化制御を単純化することができる。
【０１４０】
また、上述した実施形態においては、推定された残余空燃比に基づいて、発電用空気供給量のみを補正（図２１のステップＳ４７、図２２）していたが、変形例として、燃料供給量のみを補正し、或いは、発電用空気供給量及び燃料供給量の両方を補正して、残余空燃比を適正化するように本発明を構成することができる。また、発電用空気供給量及び燃料供給量の両方を補正する場合においては、好ましくは、発電用空気供給量を大きく補正し、燃料供給量の補正を小さく抑える。本発明をこのように構成すると、発電用空気供給量を大幅に補正することにより排気ガスが適正化されるので、排気ガスの適正化のために浪費される燃料を抑制することができ、エネルギー効率の向上と、排気ガスの適正化を両立することができる。
【０１４１】
さらに、別の変形例として、発電用空気供給量の補正のみにより残余空燃比を適正化できる場合には発電用空気供給量のみ補正し、発電用空気供給量の補正だけでは残余空燃比を適正な範囲に維持できない場合において、発電用空気供給量及び燃料供給量の両方を補正するように本発明を構成しても良い。本発明をこのように構成すると、発電用空気供給量の補正のみで排気ガスを適正化できる場合には、発電用空気供給量のみ補正されるので、エネルギー効率を向上させることができる。また、発電用空気供給量の補正だけでは排気ガスを適正化できない場合には、燃料供給量も補正されるので、より広範な状況において排気ガスを適正化することができる。
【０１４２】
また、上述した実施形態においては、残余空燃比を推定することにより排気ガスの状態を判定していたが、変形例として、排気ガスの状態を直接検出する一酸化炭素センサ等の排気センサの検出信号に基づいて排気ガスの状態を判定し、これに基づいて発電用空気供給量及び／又は燃料供給量を補正するように本発明を構成することもできる。
【符号の説明】
【０１４３】
１    固体酸化物型燃料電池
２    燃料電池モジュール
４    補機ユニット
７    断熱材（蓄熱材）
８    密封空間
１０    発電室
１２    燃料電池セル集合体
１４    燃料電池セルスタック
１６    燃料電池セルユニット（固体酸化物型燃料電池セル）
１８    燃焼室（燃焼部）
２０    改質器
２２    空気用熱交換器
２４    水供給源
２６    純水タンク
２８    水流量調整ユニット（水供給手段）
３０    燃料供給源
３８    燃料流量調整ユニット（燃料供給手段）
４０    空気供給源
４４    改質用空気流量調整ユニット
４５    発電用空気流量調整ユニット（発電用酸化剤ガス供給手段）
４６    第１ヒータ
４８    第２ヒータ
５０    温水製造装置
５２    制御ボックス
５４    インバータ
８３    点火装置
８４    燃料電池セル
１１０    制御部（制御手段）
１１０ａ  蓄熱量推定手段
１１０ｂ  排気ガス状態判定手段
１１０ｃ  排気ガス適正化手段
１１２    操作装置
１１４    表示装置
１１６    警報装置
１２６    電力状態検出センサ（需要電力検出手段）
１３２    燃料流量センサ（燃料供給量検出センサ）
１３８    圧力センサ（改質器圧力センサ）
１４０    排気温度センサ（温度検出手段）
１４２    発電室温度センサ（温度検出手段）
１４８    改質器温度センサ（温度検出手段）
１５０    外気温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
0005748054.tif 000019
【図１９】
0005748054.tif 000020
【図２０】
0005748054.tif 000021
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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